Memahami peran hambatan dalam rangkaian listrik adalah langkah pertama menuju pemahaman bagaimana rangkaian dapat memberi daya pada berbagai perangkat. Elemen resistif menghambat aliran elektron, dan dengan demikian, mereka memungkinkan energi listrik diubah menjadi bentuk lain.
Definisi Perlawanan
Listrikperlawananadalah ukuran perlawanan terhadap aliran arus listrik. Jika Anda menganggap elektron yang mengalir melalui kawat sebagai analog dengan kelereng yang menggelinding menuruni lereng, hambatan adalah apa yang akan terjadi jika penghalang ditempatkan di jalan, menyebabkan aliran kelereng melambat saat mereka mentransfer sebagian energinya ke penghalang.
Analogi lain adalah dengan mempertimbangkan aliran air yang melambat saat melewati turbin di pembangkit listrik tenaga air, menyebabkannya berputar saat energi ditransfer dari air ke turbin.
Satuan SI untuk hambatan adalah ohm (Ω) di mana 1 = kg⋅m2s−3A−2.
Rumus untuk Perlawanan
Resistansi konduktor dapat dihitung sebagai:
R = \frac{ρ L}{A}
dimanaρadalah resistivitas material (properti tergantung pada komposisinya),Ladalah panjang bahan danSEBUAHadalah luas penampang.
Resistivitas untuk bahan yang berbeda dapat ditemukan pada tabel berikut: https://www.physicsclassroom.com/class/circuits/Lesson-3/Resistance
Nilai resistivitas tambahan dapat dicari di sumber lain.
Perhatikan bahwa resistansi berkurang ketika kawat memiliki luas penampang A yang lebih besar. Ini karena kawat yang lebih lebar dapat memungkinkan lebih banyak elektron melaluinya. Resistansi meningkat seiring bertambahnya panjang kawat karena panjang yang lebih besar menciptakan jalur yang lebih panjang yang penuh dengan resistivitas yang ingin menentang aliran muatan.
Resistor dalam Rangkaian Listrik
Semua komponen sirkuit memiliki sejumlah resistansi; namun, ada elemen yang secara khusus disebutresistoryang sering ditempatkan di sirkuit untuk mengatur aliran arus.
Resistor ini sering memiliki pita berwarna yang menunjukkan resistansinya. Misalnya, resistor dengan pita kuning, ungu, coklat dan perak akan memiliki nilai 47 × 101 =470 dengan toleransi 10 persen.
Perlawanan dan Hukum Ohm
Hukum Ohm menyatakan bahwa teganganVberbanding lurus dengan arussayadimana resistensiRadalah konstanta proporsionalitas. Sebagai persamaan, ini dinyatakan sebagai:
V=IR
Karena perbedaan potensial dalam rangkaian tertentu berasal dari catu daya, persamaan ini memperjelas bahwa menggunakan resistor yang berbeda dapat secara langsung menyesuaikan arus dalam suatu rangkaian. Untuk tegangan tetap, resistansi tinggi menghasilkan arus yang lebih rendah, dan resistansi rendah menyebabkan arus lebih tinggi.
Resistor Non-Ohmik
SEBUAHnon-ohmikresistor adalah resistor yang nilai hambatannya tidak tetap, melainkan berubah-ubah tergantung pada arus dan tegangannya.
Sebuah resistor ohmik, sebaliknya, memiliki nilai resistansi konstan. Dengan kata lain, jika Anda membuat grafikVvs.sayauntuk resistor ohmik, Anda akan mendapatkan grafik linier dengan kemiringan yang sama dengan resistansiR.
Jika Anda membuat grafik serupa untuk resistor non-ohmik, itu tidak akan linier. Namun, ini tidak berarti bahwa hubungan V = IR tidak berlaku lagi; itu masih tidak. Itu hanya berartiRtidak lagi tetap.
Apa yang membuat resistor non-ohmik adalah jika meningkatkan arus yang melaluinya menyebabkannya memanas secara signifikan atau memancarkan energi dengan cara lain. Bola lampu adalah contoh yang sangat baik dari resistor non-ohmik. Ketika tegangan pada bola lampu meningkat, demikian juga hambatan bola lampu (karena memperlambat arus dengan mengubah energi listrik menjadi cahaya dan panas). Tegangan vs. grafik saat ini untuk bola lampu biasanya memiliki kemiringan yang meningkat sebagai hasilnya.
Resistansi Efektif dari Resistor dalam Seri
Kita dapat menggunakan hukum Ohm untuk menentukan resistansi efektif resistor yang dihubungkan secara seri. Artinya, resistor terhubung ujung ke ujung dalam satu garis.
Misalkan Anda memilikitidakresistor,R1, R2, ...Rtidakdihubungkan secara seri ke sumber tegangan listrikV. Karena resistor ini terhubung ujung ke ujung, menciptakan satu loop tunggal, kita tahu bahwa arus yang melewati masing-masing resistor harus sama. Kami kemudian dapat menulis ekspresi untuk drop teganganVsayadi seberang iini resistor dalam halRsayadan saat inisaya:
V_1=IR_1\\V_2=IR_2\\...\\V_n=IR_n
Sekarang penurunan tegangan total pada semua resistor dalam rangkaian harus menjumlahkan tegangan total yang disuplai ke rangkaian:
V=V_1+V_2+...+V_n
Resistansi efektif rangkaian harus memenuhi persamaan V = IReff dimanaVadalah tegangan sumber daya dansayaadalah arus yang mengalir dari sumber listrik. Jika kita mengganti masing-masingVsayadengan ekspresi dalam halsayadanRsaya, dan kemudian disederhanakan, kita mendapatkan:
V = V_1+V_2+...+V_n= I(R_1 + R_2 +...+ R_n)=IR_{eff}
Karenanya:
R_{eff}=R_1 + R_2 +...+ R_n
Ini bagus dan sederhana. Hambatan efektif resistor yang dirangkai seri hanyalah jumlah dari masing-masing hambatan! Hal yang sama tidak benar, bagaimanapun, untuk resistor secara paralel.
Resistansi Efektif dari Resistor Secara Paralel
Resistor yang dihubungkan secara paralel adalah resistor yang sisi kanannya semuanya bergabung pada satu titik dalam rangkaian, dan yang sisi kirinya semuanya bergabung pada titik kedua dalam rangkaian.
Misalkan kita memilikitidakresistor yang dirangkai paralel dengan sumber teganganV. Karena semua resistor dihubungkan ke titik yang sama, yang terhubung langsung ke terminal tegangan, maka tegangan pada setiap resistor jugaV.
Arus melalui setiap resistor kemudian dapat ditemukan dari hukum Ohm:
V = IR \menyiratkan I = V/R\\ \begin{aligned} \text{Jadi } &I_1 = V/R_1\\ &I_2=V/R_2\\ &...\\ &I_n=V/R_n \end{ sejajar}
Berapapun hambatan efektifnya, ia harus memenuhi persamaan V = IReff, atau ekuivalen I = V/Reff, dimanasayaadalah arus yang mengalir dari sumber listrik.
Karena arus yang datang dari sumber daya bercabang saat memasuki resistor, dan kemudian kembali lagi, kita tahu bahwa:
saya = saya_1+saya_2+...+saya_n
Mengganti ekspresi kami untuksayasayakita mendapatkan:
I =V/R_1 + V/R_2 +...+V/R_n=V(1/R_1 + 1/R_2+...+1/R_n) = V/R_{eff}
Oleh karena itu kita mendapatkan hubungan:
1/R_{eff}=1/R_1 + 1/R_2+...+1/R_n\\ \text{or}\\ R_{eff}=(1/R_1 + 1/R_2+...+1/R_n )^{-1}
Satu hal yang perlu diperhatikan tentang hubungan ini adalah begitu Anda mulai menambahkan resistor secara seri, resistansi efektif menjadi kurang dari resistor tunggal mana pun. Ini karena dengan menambahkannya secara paralel, Anda memberi arus lebih banyak jalur untuk mengalir. Ini mirip dengan apa yang terjadi ketika kita memperlebar luas penampang dalam rumus resistansi dalam hal resistivitas.
Kekuatan dan Perlawanan
Daya yang dihamburkan melintasi elemen rangkaian diberikan oleh P = IV di manasayaadalah arus yang melalui elemen danVadalah potensi penurunan di atasnya.
Dengan menggunakan hukum Ohm, kita dapat memperoleh dua hubungan tambahan. Pertama, dengan menggantiVdenganIR, kita mendapatkan:
P = I(IR) = I^2R
Dan kedua, dengan menggantisayadenganV/Rkita mendapatkan:
P = V/R(V) = V^2/R
Contoh
Contoh 1:Jika Anda memasang resistor 220, 100 dan 470 secara seri, berapakah hambatan efektifnya?
Secara seri, hambatan hanya ditambahkan, sehingga hambatan efektif adalah:
R_{eff}=220 + 100 + 470 = 790\text{ }\Omega
Contoh 2:Berapakah hambatan efektif dari rangkaian resistor yang sama secara paralel?
Di sini kita menggunakan rumus untuk resistansi paralel:
R_{eff} = (1/220+1/100+1/470)^{-1} = 60 \text{ }\Omega
Contoh 3:Berapakah hambatan efektif dari susunan berikut:
Pertama kita harus memilah koneksi. Kami memiliki resistor 100 yang dihubungkan ke resistor 47 secara seri, sehingga resistansi gabungan dari keduanya menjadi 147 .
Tetapi 147 itu paralel dengan 220, menciptakan resistansi gabungan (1/147 + 1/220)-1 = 88 Ω.
Akhirnya 88 dirangkai seri dengan resistor 100, sehingga hasilnya 100 + 88 = 188 .
Contoh 4:Berapa banyak daya yang dihamburkan di seluruh rangkaian resistor pada contoh sebelumnya ketika dihubungkan ke sumber 2 V?
Kita dapat menggunakan hubungan P = V2/R untuk mendapatkan P = 4/188 = 0,0213 watt.